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ZHCUBJ2 November 2023

3.2 变压器设计

GaN 的优点是能够实现更高的开关频率和更低的损耗。为了提升高密度设计的整体效率，变压器设计起着关键作用。

最坏情况下的系统效率出现在 90V_AC 的最低输入电压条件下。对于反激式拓扑，主开关打开，将能量存储在磁化电感 (L_MAG) 中，并在器件关闭时将能量传输到输出。在消磁期间，次级绕组被钳位到输出电压 V_OUT，并且使用方程式 5 计算从次级到初级的反射电压 V_RF：

方程式 5.

V_{R F} = V_{O U T} \times N_{P S}

其中

N_PS 为初级和次级之间的匝数比

方程式 6 计算最大占空比：

方程式 6.

D_{M A X} = \frac{V_{R F}}{V_{D C_M I N} + V_{R F}}

其中

V_{DC_MIN} 是最低交流输入电压条件下的最小直流电压

对于 QR 反激式操作，主器件在磁化能量释放并且开关节点电压谐振到最低点后导通。这意味着，如果 V_RF > V_DC 并且导通损耗主导总效率，则开关 FET 通过零电压开关 (ZVS) 导通。

假设运行频率 f_{RUN_MIN} 是 V_{DC_MIN} 时的最小频率，并且变压器的初级电感 L_P 使用方程式 7 计算：

方程式 7.

L_{P} = \frac{{(V_{D C_M I N} \times D_{M A X})}^{2} \times η}{2 \times f_{R U N_M I N} \times P_{O U T}}

其中

P_OUT 是输出功率，η 是系统效率

在这种情况下，峰值电流 I_{PK_MAX} 可通过方程式 8 得出：

方程式 8.

I_{P K_M A X} = \frac{2 \times P_{O U T}}{V_{D C_M I N} \times D_{M A X} \times η}

初级 RMS 电流 I_RMS 可通过方程式 9 确定：

方程式 9.

I_{R M S} = \sqrt{\frac{D_{M A X}}{3}} \times I_{P K_M A X}

这些计算表明，对于固定输出功率，器件的传导损耗取决于 V_{DC_MIN} 和 D_MAX，仅与匝数比 N_PS 相关。总之，对于 QR 反激式设计，最坏的情况是在最低交流输入电压下。在这种情况下，开关器件通过 ZVS 导通，这意味着导通损耗在系统损耗中占主导地位，但这些损耗仅与匝数比有关。换句话说，较高的匝数比会导致较低的 I_RMS。开关器件上的损耗是固定的。

为了便于讨论开关频率选择，可以将方程式 7 改写为：

方程式 10.

L_{P} \times f_{R U N_M I N} = \frac{{(V_{D C_M I N} \times D_{M A X})}^{2} \times η}{2 \times P_{O U T}}

以上公式显示频率越高，电感值越低。在变压器设计中，必须尽量减小磁通密度，以防止铁氧体磁芯饱和。使用方程式 11 计算最大磁通密度 B_MAX：

方程式 11.

B_{M A X} = \frac{L_{MAG} \times I_{P K_M A X}}{A E \times N_{P}}

其中

A_E 是铁氧体磁芯的有效面积，取决于磁芯形状
N_P 是初级绕组的匝数

从方程式 11 可以看出，如果 B_max 和 A_E 保持恒定，运行频率越高，绕组匝数越低，L_MAG 值越低。在这种情况下，可以使用更多股的利兹线来减少铜损，从而获得更高的效率和更好的散热效果。

在此参考设计中，匝数比选择为 32:5，采用分离初级绕组方法，以更大限度地减少漏感。初级绕组为 0.1mm × 15P 利兹线，次级绕组为 0.05mm × 320P 三重隔离利兹线。